引 言
在世界傳統(tǒng)能源形勢日益嚴(yán)峻的今天，各國越來越重視清潔能源的發(fā)展。在發(fā)展最快的風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，海上風(fēng)力發(fā)電具有發(fā)電時(shí)間長、節(jié)省土地資源等優(yōu)勢。但由于發(fā)電設(shè)備遠(yuǎn)離大陸，海上環(huán)境惡劣多變，工作人員難以進(jìn)行定期的巡回檢查，因此海上風(fēng)電的運(yùn)維成本居高不下，占到項(xiàng)目生命周期成本的 18% ～ 23%[1]。所以使用安全穩(wěn)定的海上風(fēng)電監(jiān)測系統(tǒng)是降低海上風(fēng)電成本的有效手段。
風(fēng)力發(fā)電作為世界上發(fā)展最快的新能源發(fā)電技術(shù)，國內(nèi)外對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的數(shù)據(jù)采集及監(jiān)視控制（SCADA）系統(tǒng)已經(jīng)有了較為深入的研究，一批成熟可靠的有線通信系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛使用。目前海上風(fēng)電仍沿用陸上風(fēng)電場的監(jiān)控手段，這種有線通信方式無法適應(yīng)海上風(fēng)電的特殊性，在海底布置線纜不僅難度大，還容易被海水腐蝕，導(dǎo)致海上風(fēng)機(jī)故障頻發(fā)，造成很大的損失。其次，有線通信方式在面對(duì)較多機(jī)組時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量受到影響。如今海上風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量不斷增加，海上風(fēng)電場趨于大型化，有線通信方式顯然難以滿足海上風(fēng)電監(jiān)控系統(tǒng)的要求。
隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，無線通信技術(shù)也被應(yīng)用到風(fēng)電監(jiān)控領(lǐng)域 [2-3]。汪科等提出一種基于 3G 網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電故障檢測系統(tǒng) [4]。將設(shè)備在風(fēng)電機(jī)組上采集到的數(shù)據(jù)，通過 3G 網(wǎng)絡(luò)傳輸給后臺(tái)進(jìn)行分析處理，而 3G 網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量取決于運(yùn)營方基站信號(hào)的覆蓋，海上風(fēng)電場往往離岸較遠(yuǎn)，3G 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較差，而且增設(shè)或改建 3G 基站的成本極高。秦旭斌針對(duì)這種狀況提出了一種基于 ZigBee 的海上風(fēng)電長距離監(jiān)控節(jié)點(diǎn) [5]，它不依賴大功率基站，可通過在風(fēng)機(jī)上裝設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)通信，具有功耗低、自組網(wǎng)、組建方便等優(yōu)勢。但 ZigBee作為一種短距離局域網(wǎng)技術(shù)，其傳輸距離即使加強(qiáng)功率也僅有數(shù)百米，難以滿足大型海上風(fēng)電場的需求。
因此，本文提出一種基于 Sub-1GHz的海上風(fēng)電監(jiān)控系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。相比 WiFi、藍(lán)牙與 ZigBee 技術(shù)，頻率更低的 Sub-1GHz頻帶通信具有更遠(yuǎn)的通信距離以及更好的穿透力，并避開了較為擁堵的 2.4GHz頻帶， 可通過跳頻等方式提供更好的抗干擾性。該節(jié)點(diǎn)基于 TI- 15.4Stack 協(xié)議棧，組網(wǎng)方便，易于使用。本文首先介紹了監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架以及工作原理，再分別從硬件與軟件方面設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的發(fā)射節(jié)點(diǎn)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試可知，該節(jié)點(diǎn)收發(fā)功率消耗低，傳播距離遠(yuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)輕量級(jí)海上風(fēng)電監(jiān)控。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
基于 Sub-1 GHz 節(jié)點(diǎn)的海上風(fēng)電監(jiān)控系統(tǒng)分為海上機(jī)組與岸邊后臺(tái)兩部分，包括安裝在機(jī)組與測控傳感器相接的發(fā)射節(jié)點(diǎn)，設(shè)置在岸邊用于接收集總數(shù)據(jù)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，以及用于提高中繼信號(hào)傳輸效率的中繼節(jié)點(diǎn)。
傳感器測點(diǎn)主要由轉(zhuǎn)速測點(diǎn)、振動(dòng)測點(diǎn)與溫度測點(diǎn)組成， 它們分布在風(fēng)電機(jī)組的各個(gè)關(guān)鍵位置，用以反映設(shè)備運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，并與發(fā)射節(jié)點(diǎn)相接以采集信號(hào)，將采集到的信號(hào)傳輸?shù)桨l(fā)射節(jié)點(diǎn)上，發(fā)射節(jié)點(diǎn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后通過無線網(wǎng)絡(luò)集中傳輸給岸邊后臺(tái)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，最后由網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)等上傳給集控中心進(jìn)行檢測與分析。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
某大型海上風(fēng)電場北端距岸線 8 km，南端距岸線 13 km，由 20 臺(tái) 3 MW 風(fēng)機(jī)分成三排布置，風(fēng)機(jī)南北間距 750 m，東西間距 1.2 km。在保證傳輸速率的條件下，需滿足傳輸距離的要求，且盡可能減少中繼次數(shù)，兩節(jié)點(diǎn)間單條無線鏈路至少提供 10 km 鏈路長度。
本系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)按功能劃分，主要分為發(fā)射節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)，不同節(jié)點(diǎn)在硬件方面雖然由于功能的區(qū)別在 I/O 拓展口等部分略有不同，但其核心 MCU 以及 RF 射頻模塊均采用同種配置，本文將以系統(tǒng)發(fā)射節(jié)點(diǎn)為例，介紹節(jié)點(diǎn)的相關(guān)電路設(shè)計(jì)。
系統(tǒng)發(fā)射節(jié)點(diǎn)直接與傳感器相連， 傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過MCU 處理后傳輸給 RF 射頻模塊，變?yōu)樯漕l信號(hào)，射頻信號(hào)工作在 Sub-1 GHz 頻段，為了使系統(tǒng)傳輸距離能夠滿足海上風(fēng)電監(jiān)控場合的實(shí)際需要，通過功率放大器增強(qiáng)收發(fā)功率， 最后經(jīng)天線增益發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上傳至集控中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。
本方案的各個(gè)節(jié)點(diǎn)均采用 TI公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的 CC1310 超低功率無線微控制芯片， 該芯片支持 TI-15.4Stack協(xié)議棧，是一款高集成度的 RF芯片，整合了完整的 RF系統(tǒng)以及一個(gè)片上 DC-DC。它搭載了 ARM32位Cortex-M3處理器， 功耗極低。其在射頻方面的最大優(yōu)勢是優(yōu)異的射頻靈敏度（50 kbps/-110 dBm）以及出色的阻斷性能，適合距離較遠(yuǎn)的通信場合。
CC1310 芯片支持 1.8 ～ 3.8 V 寬工作電壓，在本設(shè)計(jì)方案中采用 3.7 V 鋰電池供電，主控制器采用 DC-DC 電源工作模式，其供電接口電路示意圖如圖 2 所示。主電源部分經(jīng)過磁珠與退耦電容的濾波，使芯片達(dá)到最好的射頻基帶性能。為了降低節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的功耗，本設(shè)計(jì)方案分別采用 24 MHz 與32.768 kHz 兩塊主輔晶振作為時(shí)鐘源，系統(tǒng)休眠時(shí)低頻率輔助晶振工作，以減小電流。
為了能使節(jié)點(diǎn)滿足海上風(fēng)電的通信距離要求，本方案加 裝了獨(dú)立的 RF射頻模塊，根據(jù)我國無線電管理相關(guān)功率限制，將提高節(jié)點(diǎn)射頻的發(fā)射功率至 20 dBm，以確保射頻范圍能夠滿足海上風(fēng)電運(yùn)行的需要。本方案使用了 SKYWORKS 公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的 SKY66115-11功放芯片，該芯片封裝了一個(gè)功率放大器及開關(guān)，同時(shí)還包括關(guān)機(jī)模式，可以最大程度降 低功耗。該芯片與 CC1310兼容性極好，能實(shí)現(xiàn) 50Ω負(fù)載阻抗最佳發(fā)射效率。在本設(shè)計(jì)方案中 CC1310微控制芯片射頻接口采用外部偏置的單端接線模式，RF_N 腳設(shè)置為單端模式下低噪聲放大器輸入，經(jīng)由匹配電路連接到功放芯片的RX接口，在此端連接電感用于外部偏置電路，以增強(qiáng)靈敏度 ； RF_P腳作為輸出，通過隔直電容與功放芯片的 TX接口相連。為了抑制帶外信號(hào)與通信設(shè)備相互干擾，傳輸路徑從功 放芯片連出后進(jìn)入節(jié)點(diǎn)前端，接入一個(gè)額外的低通濾波器電 路以限制不必要的信號(hào)進(jìn)入接收路徑，節(jié)點(diǎn)前端還裝設(shè)有一 個(gè)小型螺旋線射頻天線以及一個(gè)天線匹配電路來提高信號(hào)的 傳輸，對(duì)節(jié)點(diǎn)信號(hào)具有全向增益效果。另外，為了方便調(diào)試 以及測試 RF導(dǎo)通能力，節(jié)點(diǎn)前端還包括一個(gè) SMA接頭來連接測試設(shè)備。節(jié)點(diǎn)前端電路如圖 3 所示。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
發(fā)射節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中的主要功能是與岸邊后臺(tái)的無線接收網(wǎng)關(guān)連接，并周期性地將從傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過一定處理傳輸給后臺(tái)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)工作后，首先會(huì)對(duì)信道進(jìn)行檢測，如果信道空閑將會(huì)對(duì)網(wǎng)關(guān)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，直至網(wǎng)關(guān)收到請(qǐng)求并回復(fù)響應(yīng)給節(jié)點(diǎn)即入網(wǎng)成功 ；如果未收到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)響應(yīng)，將延遲一段時(shí)間后繼續(xù)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求。成功與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)建立連接之后，節(jié)點(diǎn)打開計(jì)時(shí)器并進(jìn)入休眠模式，直至計(jì)時(shí)器喚醒模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取與發(fā)送。在某些時(shí)候，后臺(tái)控制端需要手動(dòng)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如果收到后臺(tái)指令，節(jié)點(diǎn)被喚醒，并暫停自動(dòng)計(jì)時(shí)器，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。為了能準(zhǔn)確進(jìn)行定時(shí)的穩(wěn)定監(jiān)控，在入網(wǎng)成功并執(zhí)行功能的 K 個(gè)周期后將重新進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)同步。在不進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)的其他工作時(shí)間，發(fā)射節(jié)點(diǎn)將以超低功耗的休眠模式運(yùn)行。發(fā)射節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖 4 所示。
網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)架設(shè)靠近岸邊，主要用來與海上風(fēng)電機(jī)組發(fā)射節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)連接，集總數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)上傳至后臺(tái)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)長時(shí)間處于接收狀態(tài)，隨時(shí)偵聽發(fā)射節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求， 一旦收到入網(wǎng)請(qǐng)求，將立即給節(jié)點(diǎn)分配地址并向其返回工作信息。與發(fā)射節(jié)點(diǎn)成功建立網(wǎng)絡(luò)連接后進(jìn)行信息同步，便可與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)收發(fā)，以及控制指令的下達(dá)，節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)將通過串口由以太網(wǎng)上傳至集控中心進(jìn)行分析與處理。無線接收網(wǎng)關(guān)的工作流程如圖 5 所示。
4 測試結(jié)果
4.1 收發(fā)功耗測試
本設(shè)計(jì)方案采用 3.7 V 鋰電池供電，其最大發(fā)射功率為20 dBm，發(fā)射功率與電流關(guān)系見表 1 所列。節(jié)點(diǎn)與每小時(shí)與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行同步的接收電流為 6.3 mA，用時(shí) 40 ms。假設(shè)數(shù)據(jù)發(fā)射周期為 60 s，發(fā)送耗時(shí)為 42.4 ms，節(jié)點(diǎn)休眠電流為0.011 mA，則單個(gè)節(jié)點(diǎn)以最大功率工作一天僅發(fā)送與接收所消耗的電量約為 1.66 mAh，由此可見，該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行收發(fā)時(shí)功率消耗較低。
4.2 通信距離測試
在海面上兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的通信距離決定了整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，待發(fā)射節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)成功建立網(wǎng)絡(luò)連接后， 在視距內(nèi)不斷拉開接收節(jié)點(diǎn)的距離，測試其接收信號(hào)強(qiáng)度指示 RSSI 以判斷連接質(zhì)量。在該試驗(yàn)中， 發(fā)射節(jié)點(diǎn)天線距地平面高度為 80 m，接收節(jié)點(diǎn)高度為 10 m，頻段設(shè)置為433.29 MHz，波特率設(shè)置為高通信速率 50 kbps。在 10 km 處，測得接收功率約為 -84 dBm，接收機(jī)可以收到發(fā)射節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，因此可以滿足預(yù)定的距離要求。
在實(shí)際測試中，節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)傳輸速率，若將傳輸速率設(shè)置為 4.8 kbps，那么接收機(jī)在 20 km 處仍可成功接收到發(fā)射信號(hào)。發(fā)射節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)的天線高度會(huì)對(duì)通信距離產(chǎn)生較大影響，將發(fā)射節(jié)點(diǎn)安裝在海上風(fēng)電塔機(jī)較高處， 會(huì)得到更理想的傳輸距離。在實(shí)際運(yùn)用中，可以根據(jù)需要適當(dāng)調(diào)節(jié)設(shè)備的位置以獲得更好的效果。
5 結(jié) 語
隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，Sub-1 GHz 頻段通信憑借其低功率、遠(yuǎn)距離以及抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，不斷被應(yīng)用于各種工業(yè)場合 [6-8]。本文設(shè)計(jì)了一種基于 Sub-1 GHz 頻段的海上風(fēng)電傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，包括發(fā)射節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)以及中繼節(jié)點(diǎn)，并在軟件方面實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)運(yùn)行。該節(jié)點(diǎn)被應(yīng)用于海上風(fēng)電監(jiān)控系統(tǒng)中，具有覆蓋廣、功耗低、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，有利于降低海上風(fēng)電的運(yùn)維成本，提高海上風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率。
